Введение к работе
Актуальность. Система электроснабжения (СЭС) может быть подвержена авариям, обусловленным нарушением режима работы как самой системы, так и отдельных её элементов. Часто последствием аварийных переходных режимов становится нарушение устойчивости узлов нагрузок СЭС, что является одним из тяжелейших видов развития аварии, который может повлечь как большой экономический ущерб, так и человеческие жертвы. Данная проблема является особенно актуальной для потребителей I и II категории надежности.
Причиной снижения качества электрической энергии на крупных промышленных предприятиях является наличие в узлах нагрузок электроприемников с нелинейными вольт-амперными характеристиками, например, тиристорных преобразовательных агрегатов электроприводов прокатных станов, силовой электроники, силовых ключевых элементов, дискретно управляющих потоками электроэнергии, машин контактной сварки, дуговых и индукционных электрических печей, прокатных станов и крупных электролизных установок.
Электроприемники с нелинейными вольт-амперными характеристиками потребляют ток, который по форме отличается от синусоидального. Протекание такого тока по элементам электрической сети создает в них дополнительные падения напряжения, которые приводят к искажению формы (несинусоидальности) кривых тока и напряжения в узлах нагрузок СЭС.
Таким образом, задача исследования устойчивости узлов нагрузок СЭС является актуальной и требует новых решений по учету дополнительных факторов, влияющих на устойчивую работу узлов нагрузок СЭС.
Диссертационная работа подготовлена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ОмГТУ, проводимых при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения Государственного контракта № 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г. «Разработка математических моделей, алгоритмов, программных и технических средств повышения энергетической эффективности функционирования устройств и систем электроэнергетики».
Степень разработанности темы исследования. Вопросам исследования устойчивости узлов нагрузок СЭС и качества электрической энергии СЭС посвящены работы известных российских и зарубежных ученых Жданова П. С, Жежеленко И. В., Железко Ю. С, Кузнецова В. Г., Куликова Ю. А., Сальникова В. Г., Arrillaga J., Heydt G. Т., Goh К. M. и др.
При проектировании новых СЭС и реконструкции действующих объектов устойчивость узлов нагрузок СЭС в соответствии с РД 34.20.576-94 необходимо исследовать с возможностью утяжеления номинального режима. Способы утяжеления могут быть различными: снижение ЭДС источников питания, изменение конфигурации СЭС, изменение величины и характера нагрузок, приводящее к снижению качества электрической энергии. Анализ научных трудов свидетельствует о неполном исследовании влияния несинусоидальности питающего напряжения на устойчивость узлов нагрузок СЭС.
В диссертационной работе при исследовании устойчивости СЭС предлагается учитывать нагрузку, искажающую синусоидальность форм кривых тока и напряжения.
Объектом исследования являются режимы работы узлов нагрузок СЭС.
Предметом исследования является устойчивость узла нагрузок СЭС, в состав которого входят асинхронная нагрузка и потребители с нелинейной вольт-амперной характеристикой, искажающие синусоидальность формы кривой питающего напряжения.
Целью исследования является определение влияния высших гармоник (ВГ) на устойчивость узлов нагрузок СЭС.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие основные задачи:
-
Проанализировать факторы, влияющие на устойчивую работу узла нагрузок СЭС.
-
Исследовать влияние несинусоидальности напряжения в узле нагрузок СЭС на электромеханические характеристики асинхронного двигателя
(АД).
-
На основе математической модели АД при питании статорных обмоток ВГ провести анализ характера переходных процессов в узле нагрузок СЭС при исследовании процесса самозапуска АД.
-
Проанализировать условия и время разгона АД при самозапуске с учетом ВГ в узле нагрузок СЭС.
-
Исследовать ряд критериев статической устойчивости узла нагрузок СЭС при искажении синусоидальности формы кривой напряжения.
Методы исследования. Разработанные и доказанные в диссертационной работе научные положения основываются на применении теоретических методов исследования с использованием фундаментальных основ теории электрических машин. Для решения систем дифференциальных уравнений высокого порядка используется метод Рунге-Кутты четвертого порядка.
Достоверность полученных результатов обеспечивается
обоснованностью и корректностью принятых допущений; адекватностью используемых математических методов, моделей и алгоритмов; теоретическими обоснованиями; совпадением характера изменения механических характеристик АД, полученных при моделировании, с теоретическими; апробацией результатов на конференциях и семинарах; экспертными оценками.
Также достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов при математическом моделировании на IBM PC совместимых персональных компьютерах в программной среде MathCad и интегрированной среде разработки Borland Delphi 6.0.
Научная новизна диссертационной работы:
-
Разработан алгоритм, позволяющий выполнять расчет самозапуска АД с учетом несинусоидальности питающего напряжения в узле нагрузок СЭС.
-
Теоретически обоснованы условия необходимости учета несинусоидальности напряжения в узле СЭС при самозапуске АД.
-
Доказано, что несинусоидальность питающего напряжения в узле СЭС является одним из факторов, определяющим условие возможности самозапуска АД и влияющим на увеличение времени самозапуска АД.
-
Предложено и обосновано посредством численных методов выражение для анализа устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой, учитывающее несинусоидальность формы кривой питающего напряжения.
-
Теоретически обоснована неоднозначность существующих критериев статической устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой при расчете несинусоидальных режимов.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработано программное обеспечение для анализа устойчивости узлов нагрузок СЭС, реализующее предложенную математическую модель учета ВГ и использующееся в подразделении центральной диспетчерской службы ООО «ЮНГ-Энергонефть».
-
Разработана и внедрена в образовательный процесс методика исследования устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой при искажении синусоидальности формы кривой питающего напряжения.
-
Представлены рекомендации по необходимости учета качества электроэнергии (в части несинусоидальности) при исследовании статической и динамической устойчивости узлов нагрузок СЭС. Представлены предложения по дальнейшему совершенствованию расчетов устойчивости в части утяжеления возможного режима работы СЭС.
-
Разработана система рекомендаций по повышению устойчивости узлов нагрузок СЭС при несинусоидальных режимах.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и получили положительные отзывы на международной научно-практической конференции «Энергоэффективность», Омск, 2010; на региональной молодежной научно-технической конференции «Омское время -взгляд в будущее», Омск, 2010; на международной научно-технической конференции «Энергосбережение, энергоэффективность, экономика», Омск, 2010; на П-ой международной научно-практической конференции, Курск, 2012; на 4-ой Международной научно-технической конференции SIGRE «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», Екатеринбург, 2013.
Использование результатов диссертационной работы. Основные научные и практические результаты использованы в ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» при организации учебного процесса на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий».
Разработанное в ходе выполнения диссертационной работы программное обеспечение для расчета устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой используется в подразделении центральной диспетчерской службы ООО «ЮНГ-Энергонефть».
Публикации. Положения диссертационной работы и основные результаты исследований опубликованы в 19 научных работах, 8 из которых - в изданиях,
рекомендованных ВАК. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
На защиту выносятся:
-
Условия, при которых необходимо учитывать несинусоидальности питающего напряжения при расчете устойчивости узлов нагрузок СЭС.
-
Математическая модель и алгоритм расчета самозапуска АД при наличии ВГ в узле нагрузок СЭС.
-
Математическая модель, уточняющая критерии статической устойчивости узлов СЭС при наличии нелинейных нагрузок.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 136 наименований, приложений. Работа изложена на 125 страницах и содержит 39 иллюстраций, 67 формул и 10 таблиц.
